Айзек Азимов - Вид с высоты
А при температурах, исчисляемых миллионами градусов, все молекулы и атомы рассыпаются, остаются голые ядра. При температурах в сотни миллионов градусов уже возможны реакции слияния простых ядер в сложные. При еще более высоких температурах должен происходить обратный процесс: все ядра должны развалиться на простые протоны и нейтроны.
Итак, надо думать, что где-то около максимально возможной температуры (а она, по-видимому, лежит далеко за триллионом градусов) существуют только свободные протоны и нейтроны. Их массы в атомной шкале равны единице. Таким образом, с точки зрения формулы (4) мы делаем вывод, что максимально возможная температура равна 3 600 000 000 000°К.
Но действительно ли мы должны принять этот вывод?
Увы, надо признаться, что во всем доказательстве начиная уже с формулы (3) была ошибка. Я предполагал, что значение m постоянно, то есть если уж атом гелия имеет массу, равную 4, то он сохраняет ее неизменной при любых обстоятельствах. Вообще так и было бы, если бы взгляды Ньютона на Вселенную были абсолютно правильны. Но в ньютоновской Вселенной нет такой вещи, как максимальная скорость, и, следовательно, температура не может иметь верхнего предела.
В эйнштейновском понимании Вселенной верхний предел скорости установлен, следовательно, есть и надежда определить верхний предел температур, но масса, по Эйнштейну, не постоянна. Масса любого предмета (какой бы ничтожной при обычных условиях она ни была, лишь бы нулевой) растет с повышением скорости, становясь бесконечно большой в пределе при скорости света (коротко это можно записать так: «Масса становится бесконечно большой при световой скорости»). При обычных скоростях, скажем не более нескольких тысяч километров в секунду, масса возрастает настолько незначительно, что добавку к обычной массе покоя учитывают разве что в самых точных расчетах.
Однако, когда речь идет о скоростях, почти равных или равных скорости света, масса m в формуле (4) бесконечно возрастает и становится неограниченно большой, какую бы частицу ни взять. Следовательно, то же самое происходит и с Tмакс. Ни в ньютоновской, ни в эйнштейновской Вселенной нет предела увеличению температуры. Здесь нет наивысшей высоты самого высокого.
Часть IV
Астрономия
13. Ну и температура!
Любой уважающий себя ученый или просто человек, близкий к науке (я говорю о близких к науке, чтобы не оставить за бортом самого себя), мечтает оставить в ней заметный след. Разумеется, в самом хорошем смысле этого слова.
Увы, большинству из нас приходится расставаться со своей мечтой. Я давно понял, что мечтаю напрасно. Сердце подсказывает мне, что никогда «закон Азимова» не попадет на страницы учебников физики, никогда «реакция Азимова» не будет запечатлена в учебниках химии. Возможность создать «теорию Азимова» и даже просто высказать «гипотезу Азимова» ускользнула от меня, и я остался ни с чем.
Ни с чем — это значит с электрической пишущей машинкой, зычным голосом и тайной надеждой, что какая-нибудь моя мысль, пусть даже случайно высказанная, заронит искорку в более светлую голову и поможет ей придумать что-то стоящее.
Так оно и случилось.
Через несколько недель после того, как был впервые опубликован материал предыдущей главы, я получил письмо от доктора Чу, работавшего после защиты докторской диссертации в Институте высших исследований в Принстоне.
Он изложил свои соображения о максимальной возможной температуре, указав при этом, что выводы предыдущей главы возникли из предположения о бесконечности Вселенной. Если бы Вселенная была конечна, то она имела бы и конечную массу. Если бы вся конечная масса, кроме одной частицы, была полностью превращена в энергию и эта энергия сконцентрировалась бы на единственной оставшейся частице (а мы предположили бы, что можно измерить температуру в системе, состоящей всего из одной частицы), тогда мы наконец добрались бы до максимальной возможной температуры материи. Он вычислил, какова была бы эта температура. Она оказалась чудовищно высокой, но, разумеется, не бесконечной.
Однако проблема максимальной возможной температуры при условиях, существующих ныне во Вселенной, продолжала занимать доктора Чу даже после того, как он покинул Принстон и стал работать в Институте космических исследований в Нью-Йорке. В письме, которое он мне послал 14 ноября 1961 года, говорилось (цитирую его с любезного согласия доктора Чу):
«Я переключился с физики элементарных частиц на астрофизику тотчас после того, как получил докторскую степень. Ваша статья возбудила во мне интерес к сверхновым звездам. Как известно, горячéе недр этих звезд не бывает ничего. Может быть, именно там верхний предел температуры?»
Вскоре он опубликовал статьи в «Физикал ревьюз» и «Анналз оф физикс», в которых в общих чертах излагалась его теория образования сверхновых звезд.
С сугубо корыстной целью мне хотелось бы дать вам некоторое представление об этой новой теории, но прошу вас помнить, что доктор Чу ответственности за то, как я ее изложу, не несет. В своих статьях он пользуется двойными интегралами, гиперболическими функциями и математическими приемами всех видов, которые, разумеется, не укладываются в элементарную алгебру и даже меня иногда ставят в тупик. Поэтому, возможно, я могу неверно истолковать некоторые высказывания.
Однако я сделал все, что было в моих силах, и, как всегда, начну с самых истоков вопроса, то есть с субатомной частицы — нейтрино. Начало ее волнующей истории связано с именем Эйнштейна. В 1905 году в своей специальной теории относительности Эйнштейн показал, что масса неразрывно связана с энергией и что величина этой энергии может быть подсчитана по простой формуле. (Да-да, я говорю о формуле Е = МС2.)
Эта формула была применена к процессу излучения альфа-частиц. Атом урана теряет альфа-частицу и становится атомом тория. Альфа-частица и атом тория вместе имеют массу, которая хоть и ненамного, но все же меньше массы атома урана. Но недостающая масса не исчезает, а превращается в кинетическую энергию стремительной альфа-частицы. Следовательно, все альфа-частицы, испускаемые данным типом атомов, имеют одинаковую энергию. (Вернее, одну из небольшого числа различных энергий, потому что данный тип атома может существовать в нескольких различных энергетических состояниях, и, когда он находится в состоянии, которому отвечает большая энергия, он испускает альфа-частицу с несколько более высокой энергией.)
Такое объяснение вполне удовлетворяло ученых. Масса не пропадала, а переходила в энергию, концы с концами сходились, и физики, сияя, потирали руки. Но теперь надо было показать, что и в случае испускания бета-частиц дебет с кредитом сходятся в энергетическом балансе. Хотя масса бета-частицы (электрон) составляет всего 1/7350 массы альфа-частицы (ядра гелия), в принципе это не должно было иметь никакого значения.
Однако радиоактивные изотопы не испускали бета-частицы с одинаковой энергией. Оказалось, что бета-частицы испускаются с любой энергией вплоть до определенного максимума. Это максимальное значение определялось «дефектом массы», однако таких значений энергии достигает лишь ничтожно малое число электронов. Практически все частицы испускались с меньшими энергиями, а некоторые имели даже очень малую энергию.
В общем получалось так, что некоторое количество энергии куда-то пропадало.
Можете себе представить состояние физиков, которые теперь чем-то напоминали бухгалтеров, обнаруживших недостачу. И в самом деле, если энергия исчезала, то нарушался закон сохранения энергии, а ни один здравомыслящий физик не позволит себе предположить это до тех пор, пока не будут изучены все другие возможные варианты.
В 1931 году швейцарский физик Вольфганг Паули высказал любопытное предположение. Раз электрон не уносит всю энергию, которая получается в результате потери массы, то, следовательно, должна существовать еще одна частица, которая уносит с собой часть энергии. Однако эту частицу найти не могли, так как у нее, по-видимому, не было каких-либо поддающихся обнаружению отличительных свойств. Из всех этих необнаруженных свойств электрический заряд был самым известным, и, так как потери заряда не обнаруживалось, Паули постулировал, что частица нейтральна.
Кроме того, в случае обратного превращения энергии в массу той кинетической энергии, которая оставалась после образования бета-частицы, не хватало бы для создания очень крупной частицы главным образом потому, что большая часть энергии должна была бы превратиться в энергию движения. По-видимому, масса частицы должна быть намного меньше даже массы электрона, а возможно, эта частица совсем не имеет массы покоя.
